结合超分辨率和域适应的遥感图像语义分割方法

基于卷积神经网络的图像语义分割方法依赖于有真实标签的监督学习,但不能很好地推广到来源不同的无标签数据集中,目前无监督域适应给出了解决无标签目标域数据和有标签源域数据特征分布不一致的思路.但是在遥感图像处理领域,当源域和目标域的空间分辨率不相同时,无监督域适应方法应用效果不佳.本文结合图像超分辨率设计了一个新的端到端语义分割深度网络——结合超分辨率和域适应的语义分割模型(Semantic Segmentation Model Combining Super Resolution and Domain Adaption,SSM-SRDA),它可以缩小低分辨率源域和高分辨率目标域遥感图像的空间分辨率差异和特征分布差异,并完成无监督超分辨率和域适应语义分割任务.SSM-SRDA模型包括三个部分:结合超分辨率的语义分割网络,将低分辨率的源域图像通过超分辨率模块生成带有目标域风格的高分辨率图像,缩小空间分辨率差异的同时帮助特征提取网络学习域不变特征,并通过特征相似性FA-Loss模块增强语义分割深层网络高分辨率特征的细节结构信息;像素级域判别器,用来缩小超分辨后源域和目标域间的像素级特征差异;输出...     

基于渐进多源域迁移的无监督跨域目标检测

针对目标检测任务中获取人工标注训练样本的困难, 提出一种在像素级与特征级渐进完成域自适应的无监督跨域目标检测方法. 现有的像素级域自适应方法中, 存在翻译图像风格单一、内容结构不一致的问题. 因此, 将输入图像分解为域不变的内容空间及域特有的属性空间, 综合不同空间表示进行多样性的图像翻译, 同时保留图像的空间语义结构以实现标注信息的迁移. 此外, 对特征级域自适应而言, 为缓解单源域引起的源域偏向问题, 将得到的带有标注的多样性翻译图像作为多源域训练集, 设计基于多领域的对抗判别模块, 从而获取多个领域不变的特征表示. 最后, 采用自训练方案迭代生成目标域训练集伪标签, 以进一步提升模型在目标域上的检测效果. 在Cityscapes & Foggy Cityscapes与VOC07 & Clipart1k数据集上的实验结果表明, 相比现有的无监督跨域检测算法, 该检测框架具更优越的迁移检测性能.     

基于熵增强的无监督域适应遥感图像语义分割

为了实现利用有标注源数据获得在无标注目标数据上可用的遥感图像语义分割模型,提出了一种基于熵增强的域适应端到端语义分割方法.首先,为了充分利用遥感图像多尺度信息并且减少域之间传感器分辨率带来的域偏移,采用空洞空间金字塔池化模块作为分类器;其次,为了使无标注的目标域类别正确对应,使用了两个分类器进行协同训练;将像素点预测值的信息熵当做分类置信度的度量,将其作为对抗损失的权重,从而使训练能专注于难分类的像素,降低域偏移.在ISPRS(WGII/4)2D数据集上进行实验,所提方法相对于直接使用分割模型和使用传统对抗方法,mIoU分别提高了18％和12％.实验结果表明,所提方法在遥感图像域适应语义分割表现上优于直接使用分割模型或使用传统对抗域适应分割方法.     

基于改进ASPP的域适应地物分类算法

遥感摄影图像由于具有地域多样性特点（不同的地理位置、地形、天气条件），在跨域语义分割任务上容易出现目标的错漏分问题。为了进一步解决跨域分割的问题，根据先进的Scale-aware＿da算法提出了一个具有尺度意识的对抗学习框架。对Scale-aware＿da算法进行改良，提出了一种生成对抗网络并改进空洞卷积空间金字塔池化模块（ASPP）的域适应土地覆盖分类算法。该算法在不同特征层使用阶梯级递减的多尺度ASPP；将不同特征层所得信息进行融合，较好地保留了各类目标信息；基于生成对抗网络原理，对于源域和目标域的域间差异问题，提出了三鉴别器网络，包括特征鉴别器、尺度鉴别器和跨域鉴别器。在ISPRS Vaihingen与ISPRS Potsdam互为源域与目标域的情况下，做域自适应实验，实验结果表明，文中算法与Scale-aware＿da算法的平均交并比（MIoU）指标相比，在Potsdam—Vaihingen域适应中提升了0.93%，在Vaihingen—Potsdam域适应中提升了1.23%。     

基于编码器-解码器的半监督图像语义分割

基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法需要大量像素级标注的训练数据,但标注的过程费时又费力.本文基于生成对抗网络提出一种编码-解码结构的半监督图像语义分割方法,其中编码器-解码器模块作为生成器,整个网络通过耦合标准多分类交叉熵损失和对抗损失进行训练.为充分利用浅层网络包含的丰富的语义信息,本文将编码器中不同尺度的特征输入到分类器,并将得到的不同粒度的分类结果融合,进而优化目标边界.此外,鉴别器通过发现无标签数据分割结果中的可信区域,以此提供额外的监督信号,来实现半监督学习.在PASCAL VOC 2012和Cityscapes上的实验表明,本文提出的方法优于现有的半监督图像语义分割方法.     

基于边缘增强的遥感图像弱监督语义分割方法

随着弱监督学习被应用于遥感图像语义分割,大大降低了模型训练的数据成本。然而,由于监督信息不足,类激活图难以准确激活出遥感图像中不同尺度大小的目标,这使得基于类激活图获得的伪分割掩码边缘粗糙,从而导致最终的分割结果不准确。此外,大部分的弱监督语义分割方法都是基于可视化的两阶段方法,模型复杂繁琐。针对上述问题,设计了一种基于边缘增强的端到端弱监督语义分割网络。在特征空间边缘增强模块中,以自监督方式引导网络学习遥感图像中尺寸不一的目标,并且,细化伪分割掩码的边缘;在输出空间边缘增强模块中,通过端到端训练提升分割精度,同时降低模型训练的繁琐度。在ISPRS 2D数据集上的实验结果表明,该方法在仅使用图像级标签的情况下MIoU分别为57.72%和59.45%,与其他方法相比,效果较好。     

深度卷积神经网络图像语义分割研究进展

在计算机视觉领域中,语义分割是场景解析和行为识别的关键任务,基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法已经取得突破性进展。语义分割的任务是对图像中的每一个像素分配所属的类别标签,属于像素级的图像理解。目标检测仅定位目标的边界框,而语义分割需要分割出图像中的目标。本文首先分析和描述了语义分割领域存在的困难和挑战,介绍了语义分割算法性能评价的常用数据集和客观评测指标。然后,归纳和总结了现阶段主流的基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法的国内外研究现状,依据网络训练是否需要像素级的标注图像,将现有方法分为基于监督学习的语义分割和基于弱监督学习的语义分割两类,详细阐述并分析这两类方法各自的优势和不足。本文在PASCAL VOC（pattern analysis, statistical modelling and computational learning visual object classes）2012数据集上比较了部分监督学习和弱监督学习的语义分割模型,并给出了监督学习模型和弱监督学习模型中的最优方法,以及对应的MIoU（mean intersection-over-union）。最后,指出了图像语义分割领域未来可能的热点方向。     

基于深度学习的弱监督语义分割方法综述

语义分割是计算机视觉领域的基本任务,旨在为每个像素分配语义类别标签,实现对图像的像素级理解。得益于深度学习的发展,基于深度学习的全监督语义分割方法取得了巨大进展。然而,这些方法往往需要大量带有像素级标注的训练数据,标注成本巨大,限制了其在诸如自动驾驶、医学图像分析以及工业控制等实际场景中的应用。为了降低数据的标注成本并进一步拓宽语义分割的应用场景,研究者们越来越关注基于深度学习的弱监督语义分割方法,希望通过诸如图像级标注、最小包围盒标注、线标注和点标注等弱标注信息实现图像的像素级分割预测。首先对语义分割任务进行了简要介绍,并分析了全监督语义分割所面临的困境,从而引出弱监督语义分割。然后,介绍了相关数据集和评估指标。接着,根据弱标注的类型和受关注程度,从图像级标注、其他弱标注以及大模型辅助这3个方面回顾和讨论了弱监督语义分割的研究进展。其中,第2类弱监督语义分割方法包括基于最小包围盒、线和点标注的弱监督语义分割。最后,分析了弱监督语义分割领域存在的问题与挑战,并就其未来可能的研究方向提出建议,旨在进一步推动弱监督语义分割领域研究的发展。     

基于注意力和多标签分类的图像实时语义分割

针对现阶段很多实时语义分割算法分割精度低,尤其对边界像素分割模糊的问题,提出一种基于跨级注意力机制和多标签分类的高精度实时语义分割算法.首先基于DeepLabv3进行优化,使其达到实时运算速度.然后在此网络基础上增加跨级注意力模块,使深层特征为浅层特征提供像素级注意力,以抑制浅层特征中不准确语义信息的输出;并在训练阶段引入多标签分类损失函数辅助监督训练.在Cityscapes数据集和CamVid数据集上的实验结果表明,该算法的分割精度分别为68.1％和74.1％,分割速度分别为42帧/s和89帧/s,在实时性与准确性之间达到较好的平衡,能够优化边缘分割,在复杂场景分割中具有较好的鲁棒性.     

弱监督语义分割的对抗学习方法

大多数弱监督语义分割的解决方案都利用图像级监督信息产生的类激活特征图进行训练学习.类激活特征图只能发现目标最具判别力的部分,它与真实的像素级标签信息存在较大差距,所以训练效果并不理想.对来自原图像及其仿射变化图像的类激活特征图进行对抗学习来达到更好的训练效果.首先将图像及对其进行仿射变化得到的图像输入孪生网络,使用图像级分类标签得到各自的类激活特征图,然后将这两组类激活特征图输入辨别网络进行对抗学习,训练孪生网络使得原图像与其仿射变化图像的类激活特征图逼近,从而有效利用等变注意力机制,学习更多的有效信息并缩小类激活特征图和真实的像素级标签之间的差距,提高弱监督的性能.在PASACAL VOC 2012数据集上,在验证集上的平均交并比为63.7％,测试集上的平均交并比为65.7％,与当前其他先进弱监督语义分割的方法进行对比,验证集与测试集上的平均交并比提高了1.2％和1.3％.该对抗性学习方案能有效利用等变注意力机制,学习更多的有效信息并缩小类激活特征图和真实的像素级标签之间的差距,提高弱监督的性能且达到了良好的分割效果.     

弱监督深度语义分割网络的多源遥感影像水体检测

目的 深度语义分割网络的优良性能高度依赖于大规模和高质量的像素级标签数据。在现实任务中,收集大规模、高质量的像素级水体标签数据将耗费大量人力物力。为了减少标注工作量,本文提出使用已有的公开水体覆盖产品来创建遥感影像对应的水体标签,然而已有的公开水体覆盖产品的空间分辨率低且存在一定错误。对此,提出采用弱监督深度学习方法训练深度语义分割网络。方法 在训练阶段,将原始数据集划分为多个互不重叠的子数据集,分别训练深度语义分割网络,并将训练得到的多个深度语义分割网络协同更新标签,然后利用更新后的标签重复前述过程,重新训练深度语义分割网络,多次迭代后可以获得好的深度语义分割网络。在测试阶段,多源遥感影像经多个代表不同视角的深度语义分割网络分别预测,然后投票产生最后的水体检测结果。结果 为了验证本文方法的有效性,基于原始多源遥感影像数据创建了一个面向水体检测的多源遥感影像数据集,并与基于传统的水体指数阈值分割法和基于低质量水体标签直接学习的深度语义分割网络进行比较,交并比（intersection-over-union,IoU）分别提升了5.5%和7.2%。结论 实验结果表明,本文方法具有收敛性,并且光学影像和合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）影像的融合有助于提高水体检测性能。在使用分辨率低、噪声多的水体标签进行训练的情况下,训练所得多视角模型的水体检测精度明显优于基于传统的水体指数阈值分割法和基于低质量水体标签直接学习的深度语义分割网络。     

基于深度学习模型的遥感图像分割方法

利用遥感图像快速准确地检测地物信息是当前的研究热点。针对遥感图像地表物的传统人工目视解译分割方法效率低下和现有基于深度学习的遥感图像分割算法在复杂场景下准确率不高、背景噪声多的问题，提出一种基于改进的U-net架构与全连接条件随机场的图像分割算法。首先，融合VGG16和U-net构建新的网络模型，以有效提取具有高背景复杂度的遥感图像特征；然后，通过选取适当的激活函数和卷积方式，在提高图像分割准确率的同时显著降低模型预测时间；最后，在保证分割精度的基础上，使用全连接条件随机场进一步优化分割结果，以获得更加细致的分割边缘。在ISPRS提供的标准数据集Potsdam上进行的仿真测试表明，相较于U-net，所提算法的准确率、召回率和均交并比（MIoU）分别提升了15.06个百分点、29.11个百分点和0.3662，平均绝对误差（MAE）降低了0.02892。实验结果验证了该算法具备有效性和鲁棒性，是一种有效的遥感图像地表物提取算法。     

残差密集空间金字塔网络的城市遥感图像分割

目的 遥感图像语义分割是根据土地覆盖类型对图像中每个像素进行分类,是遥感图像处理领域的一个重要研究方向。由于遥感图像包含的地物尺度差别大、地物边界复杂等原因,准确提取遥感图像特征具有一定难度,使得精确分割遥感图像比较困难。卷积神经网络因其自主分层提取图像特征的特点逐步成为图像处理领域的主流算法,本文将基于残差密集空间金字塔的卷积神经网络应用于城市地区遥感图像分割,以提升高分辨率城市地区遥感影像语义分割的精度。方法 模型将带孔卷积引入残差网络,代替网络中的下采样操作,在扩大特征图感受野的同时能够保持特征图尺寸不变;模型基于密集连接机制级联空间金字塔结构各分支,每个分支的输出都有更加密集的感受野信息;模型利用跳线连接跨层融合网络特征,结合网络中的高层语义特征和低层纹理特征恢复空间信息。结果 基于ISPRS （International Society for Photogrammetry and Remote Sensing） Vaihingen地区遥感数据集展开充分的实验研究,实验结果表明,本文模型在6种不同的地物分类上的平均交并比和平均F₁值分别达到69.88%和81.39%,性能在数学指标和视觉效果上均优于SegNet、pix2pix、Res-shuffling-Net以及SDFCN （symmetrical dense-shortcut fully convolutional network）算法。结论 将密集连接改进空间金字塔池化网络应用于高分辨率遥感图像语义分割,该模型利用了遥感图像不同尺度下的特征、高层语义信息和低层纹理信息,有效提升了城市地区遥感图像分割精度。     

结合自集成和对抗学习的域自适应城市场景语义分割

针对城市场景标签获取的高额成本问题,文中提出结合自集成和对抗学习的域自适应城市场景语义分割方法.对于源域和目标域的较大域间差异问题,采用风格转换的方法将源域数据集合成具有目标域风格的新数据集,作为新的源域数据集,从而有效减少源域与目标域的域间差异.对于目标域的域内差异问题,引入自集成方法,构造教师网络,利用教师网络在目...     

基于多尺度特征多对抗网络的雾天图像识别

目的 当前的大型数据集,例如ImageNet,以及一些主流的网络模型,如ResNet等能直接高效地应用于正常场景的分类,但在雾天场景下则会出现较大的精度损失。雾天场景复杂多样,大量标注雾天数据成本过高,在现有条件下,高效地利用大量已有场景的标注数据和网络模型完成雾天场景下的分类识别任务至关重要。方法 本文使用了一种低成本的数据增强方法,有效减小图像在像素域上的差异。基于特征多样性和特征对抗的思想,提出多尺度特征多对抗网络,通过提取数据的多尺度特征,增强特征在特征域分布的代表性,利用对抗机制,在多个特征上减少特征域上的分布差异。通过缩小像素域和特征域分布差异,进一步减小领域偏移,提升雾天场景的分类识别精度。结果 在真实的多样性雾天场景数据上,通过消融实验,使用像素域数据增强方法后,带有标签的清晰图像数据在风格上更趋向于带雾图像,总的分类精度提升了8.2%,相比其他的数据增强方法,至少提升了6.3%,同时在特征域上使用多尺度特征多对抗网络,相比其他的网络,准确率至少提升了8.0%。结论 像素域数据增强以及多尺度特征多对抗网络结合的雾天图像识别方法,综合考虑了像素域和特征域的领域分布差异,结合了多尺度的丰富特征信息,同时使用多对抗来缩小雾天数据的领域偏移,在真实多样性雾天数据集上获得了更好的图像分类识别效果。     

基于多模态互补特征学习的遥感影像语义分割

在遥感影像语义分割任务中,数字表面模型可以为光谱数据生成对应的几何表示,能够有效提升语义分割的精度。然而,大部分现有工作仅简单地将光谱特征和高程特征在不同的阶段相加或合并,忽略了多模态数据之间的相关性与互补性,导致网络对某些复杂地物无法准确分割。本文基于互补特征学习的多模态数据语义分割网络进行研究。该网络采用多核最大均值距离作为互补约束,提取两种模态特征之间的相似特征与互补特征。在解码之前互相借用互补特征,增强网络共享特征的能力。在国际摄影测量及遥感探测学会 (international society for photogrammetry and remote sensing, ISPRS)的Potsdam与Vaihingen公开数据集上验证所提出的网络,证明了该网络可以实现更高的分割精度。     

对抗学习遥感图像场景识别

目的 在高分辨率遥感图像场景识别问题中,经典的监督机器学习算法大多需要充足的标记样本训练模型,而获取遥感图像的标注费时费力。为解决遥感图像场景识别中标记样本缺乏且不同数据集无法共享标记样本问题,提出一种结合对抗学习与变分自动编码机的迁移学习网络。方法 利用变分自动编码机（variational auto-encoders,VAE）在源域数据集上进行训练,分别获得编码器和分类器网络参数,并用源域编码器网络参数初始化目标域编码器。采用对抗学习的思想,引入判别网络,交替训练并更新目标域编码器与判别网络参数,使目标域与源域编码器提取的特征尽量相似,从而实现遥感图像源域到目标域的特征迁移。结果 利用两个遥感场景识别数据集进行实验,验证特征迁移算法的有效性,同时尝试利用SUN397自然场景数据集与遥感场景间的迁移识别,采用相关性对齐以及均衡分布适应两种迁移学习方法作为对比。两组遥感场景数据集间的实验中,相比于仅利用源域样本训练的网络,经过迁移学习后的网络场景识别精度提升约10%,利用少量目标域标记样本后提升更为明显;与对照实验结果相比,利用少量目标域标记样本时提出方法的识别精度提升均在3%之上,仅利用源域标记样本时提出方法场景识别精度提升了10%~40%;利用自然场景数据集时,方法仍能在一定程度上提升场景识别精度。结论 本文提出的对抗迁移学习网络可以在目标域样本缺乏的条件下,充分利用其他数据集中的样本信息,实现不同场景图像数据集间的特征迁移及场景识别,有效提升遥感图像的场景识别精度。